机构创新实验讲义.doc

机构创新实验讲义要求了解平面连杆机构的类型、特点和应用，掌握铰链四杆机构的基本型式及其演化为其他型式的方法，掌握创造新机构的一些途径。连杆机构的概念及其特点:1. 连杆机构的概念用低副，如转动副R、移动副P、螺旋副H、圆柱副C、球面副S、球销副S等将若干刚性构件连接而成的机构称为连杆机构。在连杆机构中，构件间的相对运动是平面运动或平行平面运动的称为平面连杆机构，构件间的相对运动是空间运动的称为空间连杆机构。连杆机构中的构件又常称为杆。通常，由四个构件组成的连杆机构称为四杆机构，由五个构件组成的连杆机构称为五杆机构，依次类推。五杆以上的连杆机构又称为多杆机构。因三个构件不能组成平面闭式链机构，故平面闭式链机构至少是四杆机构。平面四杆机构既是构成和研究平面多杆机构的基础，又是应用最广泛的连杆机构。2. 闭式链机构、开式链机构和空间机构闭式链机构自由度少，但能承受较大的力，故广泛应用于各种机械中；开式链机构自由度多，但受力不能太大，主要用于机械手和机器人操作机中。空间连杆机构结构紧凑、运动灵活可靠，但因设计复杂以前应用较少。机构的计算机辅助设计解决了设计困难的问题，空间连杆机构现已得到较多的应用。3平面连杆机构的特点平面连杆机构的优点是：（1）运动副一般为转动副和移动副，由于低副是面接触，所以压强小、便于润滑，磨损轻。（2）因运动副元素为圆柱面或平面，故制造容易。（3）平面连杆机构结构简单、工作可靠，且能实现多种运动规律和运动轨迹的要求。（4）相对于空间连杆机构，其设计也较容易。因而，它在机床、农业机械、矿业机械、轻工机械、汽车及各种仪表中得到了广泛的应用。其主要缺点是：（1）惯性力和惯性力矩不易平衡，因而，不适用于高速传动。（2）对多杆机构而言，随着构件和运动副数目的增多，运动积累误差增大，从而影响传动精度.相关概念和曲柄摇杆机构及其应用:平面连杆机构的基本型式有三种，即曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。先介绍概念。1. 相关概念如图6-1所示，全部由转动副组成的平面四杆机构称为铰链四杆机构。其中，固定不动的构件4称为机架，直接与机架铰接的构件1和3称为 图6-1 铰链四杆机构 图6-2 调整雷达天线俯仰角的曲柄摇杆机构连架杆，将两连架杆连在一起的构件2称为连杆。能整周转动的连架杆称为曲柄；只能作往复摆动的连架杆称为摇杆。根据两连架杆运动形式的不同，铰链四杆机构可分为三种基本型式。其中，一个连架杆是曲柄、另一个连架杆是摇杆的称为曲柄摇杆机构，如图6-1所示；图6-3动画 两连架杆均是曲柄的称为双曲柄机构， 两连架杆均是摇杆的称为双摇杆机构2曲柄摇杆机构及其应用曲柄摇杆机构得到广泛的应用。图6-2所示曲柄摇杆机构用摇杆3调整雷达天线俯仰角的大小。图6-3所示曲柄摇杆机构利用其连杆上某点E的特定轨迹ee 将容器中的物体搅拌均匀。 图6-3动画 图6-4所示摇杆3为主动的曲柄摇杆机构是家用缝纫机的主运动机构。 图6-3 曲柄摇杆机构用于搅拌器 图6-4 缝纫机中的曲柄摇杆机构双曲柄机构及其应用:双曲柄机构的主动曲柄转一周时，对应从动曲柄也转一周，如图6-5所示。对于图a所示的一般情况，其主、从动曲柄的传动比是变量，即主动曲柄等速转动时，从动曲柄变速转动。图6-5a动画 只有当四个杆的长度关系满足平行四边形的要求（图b），且主、从动件的转动方向相同时，两曲柄间的传动比才等于常数。该机构又称为平行四边形机构，其连杆作平动。图6-5b动画 当图6-6a所示的平行四边形机构运动到四杆成一直线的AB1DC1位置时，从动件可能反转，变成AB2C2D所示型式。图6-6a动画 此时，当主动曲柄继续等速转动时，从动曲柄变速反向转动，该机构又称为反平行四边形机构（图6-6b）。图6-6a中所示的AB1DC1位置称为平行四边形机构的不定位置。图6-5 一般双曲柄机构和平行四边形机构a）一般双曲柄机构 b）平行四边形机构图6-6 反平行四边形机构a）平行四边形机构的不定位置 b）反平行四边形机构图6-7 双曲柄机构在惯性筛上的应用图6-7所示为惯性筛机构，它由一个双曲柄机构再串联一个RRP级杆组组成。当主动曲柄1匀速转动时，构件6的加速度是变化的，从而产生惯性力以筛分物体。图6-8所示的机车车轮联动机构和图6-9所示的摄影平台升降机构都是平行四边形机构的应用实例。图6-8 机车车辆联动机构图6-9 摄影平台升降机构双摇杆机构及其应用:双摇杆机构的两连架杆都不能整周转动。它在鹤式起重机上的应用如图6-10所示。当主、从动摇杆1和3摆动时，连杆BC上的E点走出一近似直线轨迹，从而避免重物平移时因不必要的升降而消耗能量。图6-10动画 当双摇杆机构两摇杆的长度相等时，则形成等腰梯形机构，它在汽车前轮转向机构上的应用如图6-11所示。 图6-10 鹤式起重机 图6-11 汽车前轮转向机构将转动副演化成移动副:除上述三种基本型式以外，还有许多其它型式的四杆机构。这些机构都可以看作是由基本型式演化而来的。了解演化的途径很重要，因为可以通过这些途径来创造新机构。 在图6-12所示的曲柄摇杆机构中，C点的轨迹是以D为圆心、 为半径的圆弧。该圆弧的形状随半径CD的增大而变得越来越平直，若摇杆CD的长度变为无穷大，则C点的轨迹将变为直线，CD上各点的运动趋于相同，摇杆演化为滑块，转动副D演化为移动副。原来的曲柄摇杆机构演化成了如图6-13所示的曲柄滑块机构。 图6-12 转动副演化为移动副 图6-13 曲柄滑块机构 a）对心曲柄滑块机构 b）偏置曲柄滑块机构 当滑块3的导路中心线通过曲柄1的转动中心时，称为对心曲柄滑块机构，如图6-13a所示；反之，则称为偏置曲柄滑块机构，如图b所示。图中的e称为偏距。曲柄滑块机构在生产实际中有广泛的应用，如内燃机、空气压缩机、锻压机等。如图6-14所示，若再将图a曲柄滑块机构中的连杆BC用同样的方法演化为滑块，同时转动副C演化为移动副，便得到图b所示的正弦机构。该机构从动件3的位移s与主动件1的转角的正弦成正比，。正弦机构在仪器中得到较广泛的应用。图6-14 曲柄滑块机构演化为正弦机构a）曲柄滑块机构B点相对于C点的轨迹 b）正弦机构取不同的构件为机架:在四杆机构中，如果以转动副相连的两构件能作整周相对转动，则称此转动副为整转副；反之，不能作整周相对转动的转动副称为摆转副。四杆机构中各个转动副是整转副还是摆转副只决定于各杆间相对尺寸的大小，而与固定哪个构件为机架无关。如在曲柄摇杆机构中（图6-15a），各构件间的尺寸关系决定了与最短杆相连的两个转动副A和B是整转副，另外两个转动副C、D是摆转副，无论固定哪个构件为机架，这种情况都不会变。因此，当固定与最短构件AB相邻的构件AD或BC为机架时，便得到曲柄摇杆机构，如图6-15a所示；图6-15a动画 当固定与最短构件相对的构件CD为机架时，便得到双摇杆机构，如图6-15b所示；图6-15b动画 而当固定最短构件AB为机架时，便得到双曲柄机构，如图6-15c所示。图6-15c动画。图6-15 铰链四杆机构取不同的构件为机架a）曲柄摇杆机构 b）双摇杆机构 c）双曲柄机构同样，对于曲柄滑块机构，也可以通过取不同的构件为机架而得到不同的机构，如表6-1所示。在曲柄滑块机构中，A、B是整转副，C是摆转副。当取构件1为机架时，A和B仍为整转副，与滑块3组成移动副并导引滑块运动的构件4还能绕A点整周转动，故称为转动导杆机构。图6-16所示的小型刨床为该机构的应用实例之一。图6-16 小型刨床表6-1 带有一个移动副的四杆机构机架构件4123机构名称曲柄滑块机构转动导杆机构曲柄摇块机构移动导杆机构机构简图当取构件2为机架时，因C仍为摆转副，滑块3只能摇动，而AB可以整周转动，故称为曲柄摇块机构。图6-17所示的驱动插刀切削的机构为该机构在Y54插齿机上的应用。当取滑块3为机架时，导杆4只能在滑块中移动，故称为移动导杆机构。图6-18所示的手压抽水机就是采用了该机构。 图6-17 曲柄摇块机构在Y54插齿机上的应用 图6-18 手压抽水机变换构件的形态和扩大转动副:1. 变换构件的形态 在图6-19a所示的曲柄摇块机构中，若变换构件2和3的形态，即将杆状构件2做成块状，而将块状构件3做成杆状，如图6-19b所示，此时导杆3只能绕C点摆动，故称为摆动导杆机构。图6-20所示牛头刨床的主运动机构就是在摆动导杆机构上再串接一个RPP级杆组构成的。图6-20动画 图6-19 变换构件的形态a）曲柄摇块机构 b）摆动导杆机构 图6-20 牛头刨